An Arduino-Based Wireless Sensor Network for Soil Moisture Monitoring Using Decagon EC-5 Sensors

It is undeniable that wireless communication technology has become a very important component of modern society. One aspect of modern society in which application of wireless communication technologies has tremendous potential is in agricultural production. This is especially true in the area of sensing and transmission of relevant farming information such as weather, crop development, water quantity and quality, among others, which would allow farmers to make more accurate and timely farming decisions. A good example would be the application of wireless communication technology to transmit soil moisture data in real time to help farmers make irrigation scheduling decisions. Although many systems are commercially available for soil moisture monitoring, there are still many important factors, such as cost, limiting widespread adoption of this technology among growers. Our objective in this study was, therefore, to develop and test an affordable wireless communication system for monitoring soil moisture using Decagon EC-5 sensors. The new system uses Arduino-compatible microcontrollers and communication systems to sample and transmit values from four Decagon EC-5 soil moisture sensors. Developing the system required conducting lab calibrations for the EC-5 sensors for the microcontroller operating in either 10-bit or 12-bit analog-to-digital converter (ADC) resolution. The system was successfully tested in the field and reliably collected and transmitted data from a wheat field for more than two months.

机械深松对苏打盐碱土盐碱特征及玉米生长的影响

以苏打盐碱土为研究对象,设置常规耕作不深松(CK)、机械深松30 cm(S30)和机械深松40 cm(S40)3种耕作处理,采用田间大区试验研究了机械深松耕作对苏打盐碱土不同土层盐碱特征及玉米生长的影响。结果表明:S30和S40处理中0~10、10~20、20~30、30~40、40~50 cm各层土壤电导率(EC)和pH均低于CK处理,整体上看,S40处理各层土壤平均EC和pH下降幅度大于S30处理;机械深松耕作显著提高了玉米植株株高、穗位高、穗长、穗粗、行粒数和籽粒产量,对植株茎粗和秃尖长无显著影响,S40处理玉米作物长势好于S30处理(P<0.05);S30、S40处理籽粒产量分别为8542.87、9020.33 kg/hm2,比CK处理分别高16.40%、22.90%。综上所述,机械深松耕作可以有效削弱苏打盐碱土盐害和碱害,改善土壤性状,促进玉米作物的生长,深松40 cm效果优于深松30 cm。

长期单施不同量化肥和有机肥后盐化潮土pH和EC的变化

【目的】研究长期单施不同量有机肥和化肥对华北平原盐化潮土区土壤pH和EC的影响,以期为本地区科学实施有机肥替代化肥提供数据支撑和理论依据。【方法】本研究以始于2006年的长期定位试验为研究平台,在冬小麦–夏玉米一年两熟种植制度下,有机肥和化肥处理均设置10个氮水平,N 0、60、120、180、240、300、360、420、500和600 kg/hm^2,共计19个处理,监测了连续施用不同量化肥和有机肥10年共20季作物后潮土的EC和pH值。【结果】单施化肥N 60、120、180、240 kg/hm^2的土壤EC分别为232、280、220和258μS/cm,与不施肥处理CK的243μS/cm差异不显著(P> 0.05);化肥氮量为N 300、360、420、500和600 kg/hm^2处理,土壤EC分别为320、403、513、516和570μS/cm,显著高于CK和N 60~240kg/hm^2处理(P <0.05)。10年20季播种作物后,不施肥处理土壤pH基本在7.97上下波动,化肥处理N从60增加到600 kg/hm^2,土壤pH分别为7.96、7.89、7.88、7.85、7.83、7.72、7.53、7.51和7.42,随着肥料用量的增加呈显著降低趋势(P <0.05)。肥料类型对黄淮海地区盐化潮土土壤EC和pH存在显著影响。化肥氮量为N 60、120、180、240 kg/hm^2处理与有机肥氮量N 60、120、180、240处理土壤EC和pH类似,分别相差为9.90、–15.9、26.4、1.76μS/cm和–0.04、0、0.03、0.02,差异均未达显著水平,但随着肥料投入量的增加,差距越来越明显,且与施肥量呈显著线性相关(P <0.05)。化肥N 300、360、420、500、600 kg/hm^2处理比同量有机肥氮处理的土壤EC值分别高42.1、90.5、195、110、188μS/cm,土壤pH分别低0.08、0.09、0.18、0.18、0.14个单位,差异达显著水平(P <0.05)。【结论】在华北盐化潮土上,化肥和有机肥氮投入量不超过240kg/hm^2范围内,连续施用10年20季作物后,均未发现对土壤EC值和pH有不利影响,施化肥和有机肥的土壤EC值和pH差异不显著。然而,氮投入量超过300 kg/hm^2后,等养分化肥土壤EC值显著高于有机肥,pH显著低于有机肥。因此,要提高盐化潮土的养分投入,应控制化肥用量,依靠有机肥投入,维持土壤pH和土壤EC的稳定。

寿光大棚菜地土壤呼吸强度、酶活性、pH与EC的变化研究

以寿光地区露地土壤作对照,研究了连作1、5、8和12年大棚蔬菜（番茄）土壤有关生物学指标的变化。结果表明,棚内土壤呼吸强度和脱氢酶活性高于棚外,并随连作年限延长开始增强而后减弱,由于管理差异,12年棚龄土壤又回升。随着连作年限延长,土壤脲酶活性逐渐减弱,而过氧化氢酶活性逐渐增强;土壤呼吸强度和酶活性都由表层向底层逐渐减弱。土壤pH随连作年限增加逐渐下降,而EC逐渐增加,至12年棚龄时,与对照相比,0—20cm土层pH下降了1.06单位,其他土层变化不显著。试验还表明,该地区表层土壤pH 6.45～7.51,EC〈0.5mS/cm,能较好地满足作物生长需要,同时,EC是影响土壤pH及酶活性变化的重要因素。土壤EC及过氧化氢酶活性可作为反映大棚菜地土壤质量变化的参考指标。

施用氰氨化钙对土壤pH值·EC值及黄瓜生长的影响

通过氰氨化钙CaCN2预处理土壤,研究了施用CaCN2对盆栽黄瓜土壤pH值、EC值及对黄瓜生长以及相关生理指标的影响。结果表明:施用CaCN2可以使土壤pH值上升,并且随着用量的增大pH值逐渐增大,但增长幅度逐渐减小;施用后对EC值的影响不大;施用10 g/盆CaCN2可以明显增加黄瓜叶绿素含量,增强根系活力,促进黄瓜生长,但施用30和60 g/盆则不同程度影响了黄瓜的生长。

设施果类蔬菜土壤EC值动态及盐害敏感性分析

在建立饱和及土水比1∶5(m∶v)条件下EC e与EC1∶5相关关系的基础上,建立EC1∶5的土壤盐分分级指标,评价了传统管理条件下设施越冬长茬和春茬的土壤盐分动态。结果表明:设施菜田土壤EC e与EC1∶5呈极显著正相关,在京郊土壤条件下换算公式为EC1∶5=0.105 EC e;果类蔬菜中茄子和辣椒属敏感蔬菜作物,苗期和全生育期耐盐性根层土壤EC1∶5临界值分别为0.10 dS·m -1和0.30 dS·m -1,当季根层土壤EC1∶5可接受调控范围为0.30～0.50 dS·m -1;番茄和黄瓜属非敏感蔬菜作物,苗期和全生育期耐盐性根层土壤EC1∶5临界值分别为0.30 dS·m -1和0.60 dS·m -1,当季根层土壤EC1∶5可接受调控范围为0.60～0.90 dS·m -1;日光温室越冬长茬土壤EC1∶5均值从定植至翌年3月一直稳定在0.30～0.34 dS·m -1之间,之后逐渐下降,7月降至0.15 dS·m -1;塑料大棚春茬定植后根层土壤EC1∶5逐渐下降,4月之前为0.29～0.30 dS·m -1,7月降至0.20 dS·m -1;结合蔬菜作物耐盐指标发现,传统管理条件下日光温室越冬长茬和塑料大棚春茬蔬菜作物在苗期易出现盐害问题;越冬长茬敏感蔬菜作物从定植至翌年3月期间,土壤盐度易超过其耐盐临界值,需要合理水肥调控以防盐害。

干旱荒漠区EC-5土壤水分传感器的校准和应用

应用EC-5土壤水分传感器在沿黄干旱荒漠绿洲地区的风沙土和粘土两种土壤类型中对不同土层深度的土壤含水率进行测定,同时以烘干称重法测定数据为标准值,采用回归分析方法建立EC-5在两种土壤中测定含水率的校准模型。结果表明,风沙土的校准模型为线性函数,且与埋设土壤深度有关,QS=0.71393S+0.01543D+1.71354(R2=0.920,P<0.05),D为土层深度(cm),S为传感器输出值(%);粘土的校准模型则为非线性的,lnQN=1.112S0.316(R2=0.949,P<0.05)。通过模拟回代结果显示,模拟值与标准值间均具有显著的相关性。在EC-5的应用验证阶段,校准值能够反映该地区风沙土和粘土土壤含水率的年变化特征,校准值与传感器输出值之间呈极显著相关关系(P<0.01),说明EC-5土壤水分传感器的校准模型稳定可靠,应用效果良好。

基于EC-Probe仪器的土壤盐分原位测定及其在河北坝上地区的应用研究

目前中国测定土壤含盐量主要使用土壤浸提液法,而这种传统的方法操作繁琐,原位测定法相对更为便捷,但应用较少。使用EC-Probe仪器原位测定河北坝上部分地区土壤电导率,部分土样采用实验室土壤浸提液电导率法建立土壤盐分与土壤电导率之间的转换模型,通过该模型对坝上地区不同土地利用类型同一深度的土壤盐度进行测量,并分析了不同深度土壤盐度分布的主要规律。结果发现沼泽、耕地、森林、河漫滩和草地的土壤含盐量依次下降,研究发现该研究区域目前各种土地利用类型的土壤盐度均未达到盐碱化标准,但沼泽地和耕地的盐碱化风险较高,需加强生态保护。

ECH_2O EC-5水分传感器测定沙地土壤含水率的可靠性

[目的]对ECH2O EC-5土壤水分传感器测定科尔沁沙地土壤含水率的可靠性进行验证。[方法]以烘干法测定数据为基准值,采用回归分析方法建立ECH2O EC-5水分传感器测定沙地土壤含水率的校正方程,并用独立的样本进行验证。[结果]ECH2O EC-5水分传感器测定值与烘干法测定值之间具有很好的线性回归关系(R2=0.96),呈显著正相关(p<0.01);验证结果显示,ECH2O EC-5土壤水分传感器测定值经回归方程校正后与基准值之间的均方根误差(RMSE)、相对均方根误差(RRMSE)分别为0.38%和6.29%。[结论]ECH2O EC-5土壤水分传感器测定的沙地土壤水分值准确度较高,具有很高的可靠性。

木醋液对土壤pH、EC与茄子叶片光合特性及根系发育的影响

为探究木醋液对土壤性质和植物生长发育的影响,以玉米、小麦秸秆和杂木在制备生物炭过程中产生的木醋液为研究材料,通过盆栽试验,研究了灌施不同稀释倍数的木醋液对土壤pH、EC(电导率)和茄子生长发育的影响。结果表明,与灌施清水相比,土壤pH值随着木醋液稀释倍数的增大而增大,当稀释倍数增大到1∶300时pH值与灌施清水处理无明显差异。灌施木醋液后土壤EC值随着木醋液稀释倍数的增大而减小,当稀释倍数增大到1∶300时EC值与灌施清水处理差异不显著。生物试验表明,灌施稀释倍数小于10倍的木醋液会对茄子产生毒害作用,灌施1∶50以上的木醋液可以增强茄子叶片净光合作用,增加叶绿素含量,促进茄子的生长发育和根系生长。木醋液对作物的促进作用随着灌施木醋液稀释倍数的增加逐渐减弱,灌施稀释倍数1∶300的木醋液与灌施清水处理差异不显著。研究表明,浇灌适宜稀释倍数的木醋液可以调节土壤pH和EC值,促进茄子生长,这为木醋液在蔬菜种植中的应用推广提供了参考。

蚯蚓密度与土壤化学肥力主要参数之间的定量关系

为研究蚯蚓密度与土壤化学肥力主要参数之间的定量关系,利用数据分析蚯蚓密度与pH值、电导率(EC)、有机质、全氮、碱解氮、全磷、有效磷、全钾、有效钾、有效钙、有效镁及阳离子交换量(CEC)之间的定量关系。结果显示,蚯蚓密度与pH值呈极显著的负相关关系(P<0.001),与有机质、全氮和全磷含量呈极显著的正相关关系(P<0.002),与其他指标的相关性比较弱。研究表明,根据这种关系可以将蚯蚓密度与土壤化学肥力主要指标的定量关系分为5个等级,可为准确地评价蚯蚓对土壤化学肥力的影响提供参考。

水分调控对盐碱地土壤盐分与养分含量及分布的影响

为给新疆地区盐碱地开发利用提供合理的灌溉指导，该文研究了滴灌条件下内陆干旱区重度盐碱地水分调控对土壤盐分与养分的影响，2008-2010年连续3 a设置了滴头正下方20 cm处5个土壤基质势下限控制灌溉：-5 kPa（S1）、-10 kPa（S2）、-15 kPa（S3）、-20 kPa（S4）和-25 kPa（S5），每个处理重复3次，按随机区组布置，于2008年试验前和2008-2010年试验后采集土壤样品（0～5、5～10、10～20、20～30和30～40 cm），测定土壤盐分（电导率、钠吸附比）以及土壤养分（速效N、P、K，全N、全P，有机质）含量。结果表明：3 a试验结束后，各处理0～40 cm土层土壤电导率与钠吸附比均显著（p＜0.05）降低，其中-5 kPa（S1）处理土壤电导率降至5.3 dS/m，降低幅度最大，为89%；速效N、P、K，全N、全P以及有机质含量较试验前均有显著升高，升高幅度均在20%以上，且与土壤基质势下限成正比。各处理速效养分均在滴头周围形成累积区，且随与滴头距离的增加而减少，养分全量与有机质含量在土壤剖面垂直分布差异显著。各处理土壤C/N均较第1年播种前降低，且降低率（4.3%～13.5%）随土壤基质势下限的降低而升高。综合土壤盐分的淋洗效果以及土壤养分的改良程度，滴头正下方20 cm处土壤水基质势控制下限-5 kPa可以作为内陆干旱区前3 a盐碱地水分调控的指导灌溉制度。

海涂土壤剖面电导率的协同克立格法估值及不同取样数目的比较研究

应用地统计学的半方差函数和普通克立格法 ,分析了 2 0m× 2 0m的采样间隔上 ,同一剖面0～ 2 0、2 0～ 4 0、4 0～ 6 0、6 0～ 10 0cm四个层次上海涂土壤电导率的空间相关性和空间分布。并在对协同区域化变量进行交互半方差分析的基础上 ,用协同克立格法 ,将 0～ 2 0cm层上的土壤样品作为辅助变量 ,其他三层上初始及减少后的土壤样品作为主变量 ,来对 2 0～ 4 0、4 0～ 6 0、6 0～ 10 0cm土层上的电导率进行估值。同普通克立格法相比 ,协同克立格法在这三层估值所产生的均方根误差 (RMSE)减少了 9%到 2 5 1% ,平均标准误差(ASE)减少了 9 4 %到 2 1 9% ,预测值与实测值之间的相关系数协同克立格法比普通克立格法提高了 4 6 %到85 %。数据分析的结果表明 ,利用协同克立格法 ,深层的样品数目在被减少至 6 0 %的情况下仍能满足精度要求 ,没有明显地导致空间信息的丢失。因此 ,协同克立格作为一种更为精确和经济的方法来对样品少的或难以测试的变量进行估值不但可以大大提高估测精度 ,而且可以减少采样数目 ,节省采样的成本。

再生水灌溉对玉米根际土壤特性和微生物的影响

本研究采用盆栽试验方法,以清水灌溉为对照,分析了不同水质再生水在不同灌溉模式下对玉米根际土壤特性的影响。结果表明,在土壤理化性质方面,再生水灌溉情况下,玉米土壤pH值和电导率(EC)与对照均无显著差异,但pH、EC与灌溉用水pH、EC呈正相关。在土壤营养方面,与对照相比,后期灌三级再生水情况下有效磷、全钾和全氮含量、前期灌二级再生水情况下有效磷和有机质含量均显著增高,这与玉米收获期鲜重和干重测定结果一致,说明前期灌二级再生水和后期灌三级再生水均抑制了根系对养分的吸收,导致玉米生物量下降。在土壤微生物方面,再生水灌溉不同程度地促进了土壤微生物数量的增加;与前期灌二级再生水相比,后期灌二级再生水促进了土壤微生物生长。

基于土壤参数的冬小麦产量预测模型

为了实现冬小麦的精细田间管理,研究了基于土壤参数的冬小麦产量预测模型。采用灰色理论对冬小麦土壤电导率EC值,全氮含量,K+、NO3-以及土壤pH值等因子进行灰色关联度分析,结果表明土壤EC值与土壤全氮含量,K+以及土壤pH值的灰色关联度较高。在分析不同生长时期土壤EC值,全氮含量,K+、NO3-以及土壤pH值和产量间的相关系数的基础上,采用土壤EC值,全氮含量以及K+作为模型的输入,产量作为输出,建立了冬小麦产量预测BP神经网络(BPNN)模型;采用土壤EC值,全氮含量,K+,灰色关联度作为输入,建立了小麦产量的模糊最小二乘支持向量机(FLSSVM)预测模型。建模结果表明,BPNN模型的预测决定系数达0.8237,验证决定系数达0.7367;FLSSVM模型的预测决定系数达0.8625,验证决定系数达0.8003。BP神经网络以及FLSSVM预测模型的精度都较高,可以用来评估作物产量,为精细农业变量处方管理提供理论与技术支持。

基于蓝牙与PDA的便携式土壤电导率测试仪开发

开发了一种具有无线通讯功能的便携式土壤电导率测试仪.测试仪采用"电流-电压四端法"设计方案,包括传感器电极、控制电路和基于蓝牙与PDA的无线通讯系统3部分.传感器电极由4个不锈钢探针组成,外侧电极用于向土壤中输入交流恒流激励信号,内侧电极用于检测与土壤电导率密切相关的电压降.控制电路采用AT89S52单片机作为主控芯片,包括作为输入激励的交流恒流源电路和信号采集与处理电路,交流恒流源电路可以输出10μA^1 mA电流,电流变化幅度小于1.5%;信号采集与处理电路具有将检测到的信号整流放大后进行A/D转换、计算、显示的功能,以及接收GPS数据和U盘存储等功能.无线通讯系统将数据通过蓝牙传给PDA,在PDA上可实现数据的接收与显示、文本文件存储和测量结果的实时图形化显示等.室内及室外试验结果表明,在保持土壤质量含水量在15%左右条件下仪器输出可以有效地反映土壤电导率水平.

咸淡水交替灌溉下土壤水盐分布与玉米吸水规律研究

为探明不同矿化度微咸水和地下水在不同交替灌溉方式下对土壤水盐分布和玉米吸水规律的影响,采用3种矿化度(2.0、3.5、5.0 g/L)微咸水和地下水(1.1 g/L)在2种交替灌溉方式(“地下水-微咸水”、“地下水-微咸水-微咸水”)下进行了大田试验。结果表明,在同一土壤深度下,土壤含水率和电导率随着微咸水矿化度升高而升高,“地下水-微咸水-微咸水”交替灌溉方式下的含水率和电导率较高;在不同时期各处理的土壤纵向含水率均表现出先下降、后上升的规律,在拔节期和抽穗期各处理的土壤纵向电导率表现出先下降、后上升的规律,在灌浆期表现出上升、下降、再上升的规律。通过氢氧稳定同位素分析得出,不同矿化度微咸水和不同交替灌溉方式组合下,玉米在拔节期、抽穗期和灌浆期的主要吸水深度分别为:0~20 cm、20~40 cm和0~20 cm,不同时期主要吸水深度的平均贡献率随着微咸水矿化度的升高而减小,“地下水-微咸水-微咸水”交替灌溉方式的平均贡献率较低。矿化度2.0 g/L微咸水与地下水在“地下水-微咸水”的交替灌溉方式下得到的产量最高,达到1.54 kg/m2。

河套灌区上游地下水埋深与土壤盐分互作效应研究

为探明河套灌区上游地下水埋深与土壤盐分的互作效应,以磴口县坝楞为研究区,采用田间试验与统计分析,研究作物生育期内地下水埋深与土壤EC的时空分布规律,并探究二者的关系。结果表明,非灌溉季节,地下水平均埋深2.2m,而灌溉期地下水埋深变浅,平均为1.3m。区域整体地下水埋深纵向自南向北逐渐变浅,横向自西向东逐渐变浅。区域土壤EC空间分布呈南低北高,区域中部相对较大的趋势。土壤盐分与地下水埋深满足指数关系,相关性较好。合理控制灌区浅层地下水埋深是防治土壤次生盐渍化的有效措施。

小麦/向日葵间作群体水盐运移机理及种间竞争能力研究

为量化分析河套灌区小麦/向日葵间作群体两作物间相互利用水量、盐分运移机理,明确两作物间种间相对竞争能力,采用根系分隔技术进行试验。研究结果表明:小麦/向日葵间作群体生育期内小麦条带利用向日葵侧水量为78.23~94.23 m^3/hm^2,向日葵条带利用小麦侧水量为44.96~57.97 m^3/hm^2,其中根系在土壤空间的交叉叠加效应可以多利用18.56~42.84 m^3/hm^2小麦带土壤水量,20.79~46.63 m^3/hm^2向日葵带土壤水量,降低1.32%~4.64%小麦条带土壤EC均值,2.26%~3.16%向日葵条带土壤EC均值。水分养分互补效应可以多利用15.12~26.40 m^3/hm^2小麦带土壤水量,47.60~57.44 m^3/hm^2向日葵带土壤水量,降低2.98%~4.69%小麦条带土壤EC均值,1.82%~2.44%向日葵条带土壤EC均值。种间相对竞争能力上,间作群体内小麦的竞争能力强于向日葵,限制间作群体根系的交叉叠加及水分养分互补效应有利于提升向日葵的种间相对竞争能力。